Двохвильовий пірометр, це серйозно
Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest® з номенклатурою пірометрів (ІЧ термометрів), а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цього розділу.
Загальне
У статті представлено порівняння результатів вимірювань температури поверхні, отриманих за допомогою тепловізійної камери та швидкодіючого пірометра при випробуванні на розтяг сталевих зразків, що призводить до утворення шийки та руйнування. Тепловізійна камера Inframetrics 760 (частота кадрів - 50 Гц) із системою високошвидкісного зберігання даних та новий швидкодіючий двохвильовий пірометр з часом вибірки 0,2 мс незалежно використовувалися для вимірювання температури.
Показано, що адекватна конструкція двохвильового пірометра забезпечує точніші вимірювання температури за рахунок компенсації змін випромінювальної здатності поверхні досліджуваного матеріалу. Дані, отримані за допомогою пірометра, дозволяють краще інтерпретувати розподіл температури поверхні.
Вступ
Дослідження механічних властивостей металів та їх сплавів можуть бути доповнені вимірюваннями температури. Типовим прикладом таких досліджень є випробування матеріалів, де зміни температури, що супроводжують процес деформації, несуть інформацію про трансформацію мікроструктури матеріалу та розподіл напружень.
Під час руйнування теплові ефекти відбуваються дуже швидко протягом короткого проміжку часу. Це вимагає застосування вимірювача температури з мінімальним часом вимірювання. Типові тепловізори та пірометри не забезпечують повного набору даних, необхідних для коректної інтерпретації часових характеристик фізичних процесів. Тому виникає необхідність розробки нових приладів, здатних вимірювати температуру за надкороткий час.
У статті представлено порівняння результатів вимірювання температури поверхні сталевих зразків під час випробувань на розтяг. Для вимірювання температури незалежно застосовувалися тепловізійна камера Inframetrics 760 із частотою кадрів 50 Гц та швидкодіючий двохвильовий пірометр із часом вибірки 0,2 мс. Двохвильовий пірометр було обрано завдяки його незалежності від зміни випромінювальної здатності поверхні зразка та можливості вибору оптимальної області вимірювання.
Дослідження
Результати вимірювання температури, отримані за допомогою тепловізійної камери, порівнювалися з результатами двохвильового пірометра. Схему пірометра наведено на рисунку 1. Це прилад, адаптований для надшвидких вимірювань.
У ході експерименту частота дискретизації приблизно у сто разів перевищувала частоту тепловізійної камери та становила близько 5 кГц. Така кількість даних дозволяє проводити додаткову обробку, наприклад усереднення, без втрати інформації про швидкоплинні зміни.
Оптичні робочі смуги були вибрані відповідно до прогнозованого діапазону температур від 50 °C до 150 °C. Для поділу спектральних діапазонів використовувалися інтерференційні фільтри: Фільтр I - 5,46 мкм та Фільтр II - 4,5 мкм. При цьому застосовувалися детектори зі спектральними характеристиками, що забезпечують максимальний рівень сигналу. Детектор I належить до типу PDI та оптимізований для довжини хвилі 5,5 мкм.
Рис. 1. Схема двохвильового швидкодіючого пірометра.
Детектор II є фотоприймачем PbSe. Для забезпечення необхідного співвідношення сигнал/шум застосовувалися інтерференційні фільтри з відносно широкою смугою пропускання. Наприклад, для фільтра II з центральною довжиною хвилі 5460 нм ширина смуги становить 500 нм. Вимірювальна область пірометра дорівнювала 1×1 мм.
Рис. 2. Температура зразка, виміряна двохвильовим пірометром та тепловізійною камерою.
Висновки
Результати, отримані на початковому етапі експерименту за допомогою тепловізійної камери, добре узгоджуються з результатами двохвильового пірометра, однак при вищих температурах між ними з'являються відмінності.
Причина полягає в тому, що для тепловізійної камери значення випромінювальної здатності задавалося як постійне, тоді як двохвильовий пірометр визначає температуру незалежно від зміни цього параметра. Досліджуваний зразок не є сірим тілом у розглянутому температурному діапазоні, а його випромінювальна здатність змінюється залежно від температури та стану поверхні.
Наприклад, для матеріалів цього класу збільшення середньоквадратичного відхилення шорсткості поверхні з 3 до 4 мкм може спричинити зміну випромінювальної здатності приблизно на 20%.
Додатковою перевагою двохвильового пірометра є його низька чутливість до зміни стану поверхні. Завдяки цьому результати вимірювання температури є більш репрезентативними на завершальній стадії експерименту порівняно з даними тепловізійної камери.
Було доведено, що правильно спроєктований двохвильовий пірометр забезпечує точніші вимірювання температури завдяки компенсації змін випромінювальної здатності поверхні досліджуваного матеріалу. Отримані дані дозволяють значно точніше інтерпретувати температурний розподіл поверхні.
